灌區(qū)量水技術(shù)特點與信息化趨勢

馬 浩

（安徽省水利部淮河水利委員會 水利科學研究院 蚌埠 233000）

灌區(qū)量水技術(shù)特點與信息化趨勢

馬 浩

（安徽省水利部淮河水利委員會 水利科學研究院 蚌埠 233000）

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國灌區(qū)量水技術(shù)不斷提高，但是量水技術(shù)成果呈明顯的發(fā)散性，灌區(qū)量水設備已多達100多種。本文通過對灌區(qū)量水技術(shù)特點進行分析，結(jié)合水利發(fā)展需要，探討未來灌區(qū)量水技術(shù)發(fā)展趨勢和研究方向，以促進新的量水技術(shù)成果普及推廣應用。

灌區(qū)量水；設備智能化；灌區(qū)信息化

1 灌區(qū)量水技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

我國的灌區(qū)量水技術(shù)的研究始于20世紀50年代，經(jīng)過60年的發(fā)展，在量水方式、計量精度、數(shù)據(jù)讀取、信號傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)都取得輝煌的研究成果。早在20世紀80年代末，我國大量引進國外量水技術(shù)，又自主研發(fā)了一批實用的觀測儀表，現(xiàn)有的量水設備已達100多種[1]。由于我國灌區(qū)眾多，工程類型、管理水平、經(jīng)濟狀況千差萬別，對于量水設備的要求差異較大，現(xiàn)有的量水設備和技術(shù)與灌區(qū)實際需求仍有較大的差距，產(chǎn)品在經(jīng)濟性、實用性、通用性等方面還存在不足。近年來，隨著灌區(qū)改造的投入增加，灌區(qū)信息化技術(shù)也引起了重視。在近幾年大型灌區(qū)改造項目中很大一部分改造資金投向軟件開發(fā)和信息平臺建設，而前端自動測量技術(shù)投入資金很少。當前灌區(qū)量水設備的配套率還較低，前端量水技術(shù)發(fā)展的滯后，已經(jīng)影響了灌區(qū)信息化水平的整體提高，所以對前端量水技術(shù)研究已經(jīng)十分迫切[2]。

2 灌區(qū)量水技術(shù)特點分析

2.1 常用的量水方式和測量儀表

灌區(qū)量水設備和量水技術(shù)不僅是實行按量收費、促進節(jié)約用水的措施手段，也是水利信息化發(fā)展需要；量水數(shù)據(jù)也是我國加強水資源管理與水調(diào)度的決策依據(jù)?，F(xiàn)有的量水設施包括啟閉式閘、涵、跌水、拱涵、渡槽、倒虹吸、標準斷面等；量水堰有薄壁堰、寬頂堰、三角堰、平坦V形堰等；量水槽有適用于各種斷面的長喉道量水槽、矩形或梯形斷面的巴歇爾量水槽和無喉道量水槽等[6]；量水儀表是水計量的轉(zhuǎn)換設備，有超聲波流量計、電磁流量計、蝸輪流量計、流速儀、水表、壓力式水位計、浮子式水位計、超聲波水位計、激光水位計等。這些量水方法和設備都有其特定的適用范圍和條件，現(xiàn)場計量設施是灌區(qū)實現(xiàn)水利信息化的關(guān)鍵設備。

2.2 灌區(qū)分級量水與設備選型

為了做好灌區(qū)水量的“總量控制”和“定額管理”基礎性工作，通常在取水口、干支渠分水口等處設置分級水量監(jiān)測點。不同的監(jiān)測點應根據(jù)各自的技術(shù)特點選取計量設備。

（1）取水口量水

提水泵站一般都安裝有2～5臺水泵，根據(jù)流量需要情況，決定開機數(shù)量。因水泵工作需要電，所以供電條件已經(jīng)具備，建議水計量采用成熟的管道計量模式。比如在泵出口增加電磁流量計或超聲波流量計。該類流量計一般要求水流快且要滿管，計量才能準確。

（2）干支渠中途量水

干支渠中途量水就是在干支渠道上某個位置對水流進行計量。以前是土溝土坡，受淤泥影響，斷面不是很規(guī)范?，F(xiàn)在灌區(qū)改造時都用石板護坡，斷面已規(guī)范，淤泥影響小。對這種規(guī)范斷面水流計量，可以采用水位—水位測量法或水位—流速測量法。把斷面尺寸測量好，就完全可以實現(xiàn)水流的精確計量。近年來ADCP河道測流技術(shù)也得到推廣應用，但由于造價太高，技術(shù)復雜，操作要求高，所以不適合日常的計量使用，可用于流量的率定或校準使用。

（3）末級渠道量水

末級渠道量水是灌區(qū)計量的薄弱環(huán)節(jié)。末級渠道較為分散和偏僻，不具備設備供電條件，設備看護難。末級渠道量水現(xiàn)在通常采用量水堰、量水槽、量水檻等計量方式，人工測量水位的量水方法。隨著灌區(qū)渠道的定型化和現(xiàn)代電子技術(shù)的迅速發(fā)展，該領域?qū)〉弥卮笸黄啤?/p>

2.3 灌區(qū)量水設備工作特點分析

近年我國的量水設備研究雖然不斷取得進展，但由于一些先進設備成本較高，難以大規(guī)模推廣使用[3]。筆者認為除技術(shù)成本高之外，量水設備的以下工作特點也是影響設備推廣的因素。

（1）設備間歇性工作

灌區(qū)量水設備只是在灌溉（或排澇）時才開機使用，屬間斷性工作。電子設備最怕間歇性工作，灌區(qū)計量對設備要求更高，對日常維護要求也更高。設備選型時一定要認真分析，要考慮設備環(huán)境適應能力、抗干擾性能、抗雷擊性能等。

（2）維護成本高

灌區(qū)的量水設備一般分布較為分散，現(xiàn)場維修難度大，維修人員要自備車輛。修復設備故障，有時要往返數(shù)次，日常維護巡查也不方便。維修時應采用整體更換的方式，確保一次成功。如不能整體更換的要備足配件，最好一次徹底解決。

（3）供電和通信條件較差

由于灌區(qū)面積廣，量水點多在田間地頭，電力難保障，通信條件也較差，雷擊現(xiàn)象也嚴重，都限制了設備的推廣使用。

（4）設備易遭到破壞

灌區(qū)安裝的計量設備散落在野外，看護困難，易遭破壞，影響了灌區(qū)量水設備的配套率。

3 水利信息化對量水設備的技術(shù)要求

隨著水利信息化的推廣普及，灌區(qū)水利信息化已被提上議事日程。要實現(xiàn)量水信息化，必須考慮設備采集數(shù)據(jù)自動化，信號傳輸無線化，設備供電微功耗（高能電池或太陽能），這些要求都是灌區(qū)全面實現(xiàn)信息化的前提與基礎[4]。灌區(qū)信息化未來對量水設備也不斷提出了新的要求。

（1）設備智能化，輸出信號標準化

儀表除自身顯示數(shù)據(jù)外，應帶有智能接口，起碼應具有RS232/RS485的通信功能。另外還應該具有4～20mA的信號輸出。RS232/RS485信號數(shù)據(jù)應包含瞬時流量、累計流量、采集時間等信息。

（2）網(wǎng)絡傳輸無線化

由于灌區(qū)計量點分散和現(xiàn)場條件限制，信號宜采用無線傳輸方式。二次儀表應支持常見的幾種無線傳輸模式。通常無線傳輸模式有數(shù)傳電臺、GPRS、微波等。根據(jù)灌區(qū)具體情況可選擇一種或幾種混合的組合模式。無線數(shù)傳電臺傳輸經(jīng)濟性較好，但維護成本高；GPRS雖有傳輸費用，但無需自己維護。

（3）設備低功耗、免維護

由于灌區(qū)現(xiàn)場條件限制，儀器供電宜采用高能電池或太陽能供電模式。設備應有多種省電工作模式，用戶可自行設置。如果用高能電池供電，起碼可使用5年以上；用太陽能板供電，起碼應保證連續(xù)30天的陰雨天可以正常工作。設備要能防塵、防風、防水、抗老化。設備盡可能不需要維護，每年維護一次就可以保證正常運行。

（4）設備造價低

設備的造價與設備的測量精度、性能是相關(guān)的。灌區(qū)計量作為水資源調(diào)度和水費收取的依據(jù)，對計量精度有一定的要求。以往的收費很多是按灌溉面積收取的，屬于粗放型計量。依現(xiàn)有設備技術(shù)水平，計量精度達到5%左右已是很理想的水平。所以設備研制要權(quán)衡計量精度和造價關(guān)系，盡可能降低設備成本。

4 量水技術(shù)未來的發(fā)展趨勢

盡管我國灌區(qū)眾多，工程類型、管理水平千差萬別，對量水設備的要求差異較大，但隨著灌區(qū)信息化的推進，灌區(qū)計量技術(shù)必定會向有利于信息化的方向發(fā)展。筆者經(jīng)過多年研究，對未來量水技術(shù)的趨勢總結(jié)以下幾點：

（1）計量點分布日趨科學合理

隨著灌區(qū)信息化試點的推廣，對提水口、干支渠、末級渠的計量點選取會更加合理，數(shù)量比例和分布更為科學合理。

（2）灌區(qū)渠道日趨標準化

由于灌區(qū)的地理條件不同，渠道形狀和尺寸也因勢而異，為了將來便于集中管理和量水技術(shù)的通用性要求，灌區(qū)的干渠、支渠特別是末級渠道會逐漸標準化和規(guī)范化。

（3）計量設備趨向網(wǎng)絡化

我國的物聯(lián)網(wǎng)正在建設中，發(fā)展極為迅速。灌區(qū)計量設備未來也要實現(xiàn)互聯(lián)互通，所以未來設備必將趨向網(wǎng)絡化。

（4）末級渠道計量趨向無設施

由于末級渠道計量設備技術(shù)和成本限制，未來會向無設施量水方式發(fā)展。現(xiàn)在國內(nèi)已經(jīng)有很多高校和科研單位從事水力模型試驗研究，可以對灌區(qū)渠道建立計量數(shù)學模型，采用數(shù)模分析法實行無設施的計量，可以滿足灌區(qū)計量要求

[1]郝樹榮，任瑞英，郝樹剛.灌區(qū)量水技術(shù)發(fā)展與展望[J].人民黃河，2003，25（11）：41-43.

[2]吳彩麗，黃斌，謝崇寶.灌區(qū)量水技術(shù)與設備研究發(fā)展概況[J].中國水利2006，7：34.

[3]謝崇寶，高虹，黃斌.灌區(qū)水管理信息化建設應注意的問題[J].中國水利，2007，15：45.

[4]李浩武.景電灌區(qū)量水技術(shù)存在的問題及建議[J].甘肅農(nóng)業(yè)，2007，11：85.

[5]潘志寶，呂宏興，魏溪.灌區(qū)量水槽的應用研究現(xiàn)狀與進展.西北農(nóng)林科技大學學報，2007，35（4）：213-217.

水利部科技推廣計劃項目（TG1033、TG1118）

馬浩（1967-），男，高級工程師，主要從事水利自動化技術(shù)研究工作。

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